Truyen song trong TTDD

Môn học:
Thông tin di động
( Mobile Communications )
Hà Nội, 8 - 2006
Giảng viên: Đỗ Trọng Tuấn
Bộ môn: Kỹ thuật Thông tin
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khoa Điện tử - Viễn thông
ξ3. Truyền sóng trong thông tin di động

1. Website của tạp chí bưu chính viễn thông, địa chỉ: http://www.tapchibcvt.gov.vn/
Phổ cập kiến thức BCVT
An toàn bức xạ điện từ
2. Lý thuyết về kênh vô tuyến - Thầy Nguyễn Văn Đức
Khái niệm kênh vô tuyến
Các thuật ngữ tiếng Anh
Mobile Radio Channel
Wireless Channel
Radio Frequency Channel - RFC
Fc: tần số trung tâm
∆f: Độ rộng kênh tần số
Các phương thức truyền tin song công
giữa MS và BS
Phân chia theo tần số
FDD: Frequency Division Duplex

Phân chia theo thời gian
TDD: Time Division Duplex
Truyền song công phân chia theo tần số - FDD
FDD: Frequency Division Duplex
Base Station
B
Mobile
Station
M
Forward Channel
Reverse Channel
Hướng xuống: Downlink ~ Hướng thuận:Forward Channel

Hướng lên: Uplink ~ hướng ngược : Reverse Channel

Phương thức FDD sử dụng kênh tần số ở hai băng tần khác nhau để mang thông tin theo hai hướng.
Truyền song công phân chia theo thời gian - TDD
TDD: Time Division Duplex
Base Station
B
Mobile
Station
M
Phương thức TDD sử dụng cùng một kênh tần số để mang
thông tin theo hai hướng tại các khe thời gian luân phiên.
M
B
M
B
M
B
Băng tần của hệ thống
Mỗi hệ thống thông tin di động được cấp phát một hoặc nhiều băng tần xác định.
Trong mỗi băng tần, các kênh vô tuyến của hệ thống sẽ được ấn định.
Ví dụ: Băng tần GSM 900 được cấp phát là
UL: 890 MHz – 915 MHz
DL: 935 MHz – 960 MHz
* Hệ thống GSM sử dụng phương thức truyền song công nào ?
Bước sóng của một số dải tần
GSM 900:
Tần số ~= 900 Mhz Bước sóng ~= 33.3 cm
DCS 1800
Tần số ~= 1.8 Ghz Bước sóng ~= 16.7 cm
PCS 1900
Tần số ~= 1.9 Ghz Bước sóng ~= 15.7 cm
Wi-fi, Bluetooth:
Tần số ~= 2.4Gz Bước sóng ~= 12.5cm
λ = c / f
Quy định cấp phát kênh trong hệ thống GSM
1
2
n
RFCUL(1)
100 KHz
fUL max
1
2
n
DL
UL
100 KHz
fUL min
fDL max
fDL min
RFCDL(1)
RFCDL(i) =
RFCUL(i) + ∆ MHz
∆fUL = fUL max - fUL min
∆fDL = fDL max - fDL min
∆f = 200 KHz
∆f = 200 KHz
Khoảng tần bảo vệ
Khoảng tần bảo vệ
Quy định băng tần GSM900
1
2
n
fUL max = 915 MHz
1
2
n
DL
UL
fUL min = 890 MHz
fDL max = 960 MHz
fDL min = 935 MHz
∆fUL = 25 MHz
∆fDL = 25 MHz
Băng tần EGSM
1
2
n
fUL max = 915 MHz
1
2
n
DL
UL
fUL min = 880 MHz
fDL max = 960 MHz
fDL min = 925 MHz
∆fUL = ? MHz
∆fDL = ? MHz
Băng tần DCS1800
1
2
n
fUL max = 1785 MHz
1
2
n
DL
UL
fUL min = 1710 MHz
fDL max = 1880 MHz
fDL min = 1805 MHz
∆fUL = ? MHz
∆fDL = ? MHz
Băng tần PCS1900
1
2
n
fUL max = 1910 MHz
1
2
n
DL
UL
fUL min = 1850 MHz
fDL max = 1990 MHz
fDL min = 1930 MHz
∆fUL = ? MHz
∆fDL = ? MHz
Mô hình truyền sóng vô tuyến
Đặc tính truyền sóng - Propagation Characteristics

Pha đinh phạm vi rộng ( Large-scale Fading )
Suy hao đường truyền - Path Loss
Che khuất - Shadowing (due to obstructions)
Pha đinh phạm vi hẹp ( Small-scale Fading )
Pha đinh nhiều đường - Multipath Fading
Pha đinh - Fading
Pha đinh phạm vi hẹp ( Small-scale Fading )
Pha đinh nhanh ( Fast Fading) - Pha đinh chậm ( Slow Fading)
gây nên do hiệu ứng Doppler ( frequency dispersion )
Pha đinh không lựa chọn tần số ( Flat Fading) - Pha đinh lựa chọn tần số ( Frequency Selective Fading ), gây nên do hiện tượng trễ tín hiệu ( time dispersion - delay spread ).
Pha đinh Rayleigh ( không tồn tại đường truyền LOS ) - Pha đinh Rician ( tín hiệu thu bao hàm cả đường truyền LOS)
Pha đinh - Fading
Là hiện tượng tín hiệu tại điểm thu thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian về cường độ, pha hoặc thành phần tần số.

Pha đinh xảy ra do sự dịch chuyển tương đối tại một
khoảng cách xác định gây nên sự biến đổi đường truyền giữa trạm gốc BS và trạm di động MS
Fading
Fading is caused by movement over distance to produce variations in the overall path between the BS and MS. In a received signal, the time variation of the amplitude or the relative phase, or both, of one or more of the frequency components of the signal is known as fading.
Fading is caused by changes in the characteristics of the propagation path with time
Đặc tính truyền sóng - Propagation Characteristics
Pha đinh - Fading
Pha đinh phạm vi rộng
Các thuật ngữ tiếng Anh
* Large-scale Fading * Long-term Fading
- Cường độ tín hiệu thu trung bình cục bộ giảm dần khi MS di chuyển ra xa trạm gốc BS gây nên do suy hao đường truyền.
- Công suất thu trung bình cục bộ được tính toán thông qua việc xác định mức trung bình tín hiệu đo đạc sau một khoảng cách di chuyển từ 5λ đến 40λ (GSM: 1,6 m ÷ 12 m).
- Các mô hình tính toán suy hao đường truyền (large-scale propagation models) cho phép ước đoán cường độ tín hiệu trung bình giữa BS và MS tại một khoảng cách xác định. Các mô hình này có ý nghĩa trong việc tính toán thiết kế và quy hoạch vùng phủ sóng.
Pha đinh phạm vi hẹp
Các thuật ngữ tiếng Anh
* Small-scale Fading * Short-term Fading
- Cường độ tín hiệu thu dao động nhanh khi MS dịch chuyển một khoảng cách nhỏ.
- Nguyên nhân gây pha đinh nhanh là do tín hiệu thu là tổng hợp của nhiều thành phần đền từ nhiều hướng khác nhau với cường độ, pha hoặc tần số khác nhau, ngẫu nhiên theo thời gian.
- Với pha đinh nhanh, công suất tín hiệu thu có thể biến thiên từ 30 dB đến 40 dB khi MS dịch chuyển một khoảng λ/n (a fraction of the wavelength).
Mô hình không gian tự do
Free Space (LOS) Model
Lp(dB) = 32,5 + 20 log f (MHz) + 20 log d (km)
Ví dụ 1.
Trong 1 cell, 1 MS đang liên lạc với BTS tại tần số
936 MHz. Hãy cho biết:
a. Suy hao đường truyền khi MS cách BTS 3 km.
b. Giả sử công suất BTS đang phát sóng là 20 W, hãy cho biết MS có liên lạc được với BTS đó không khi độ nhạy thu là -102 dBm ?
Ví dụ 1:
L(dB) = 32,5 + 20 log f (MHz) + 20 log d (km)
* f = 936 MHz, d = 3000 m
L(dB) = 32,5 + 20 log 936 (MHz) + 20 log 3 (km)
= 32.5 + 59.42 + 9.54 = 101.46 (dB)
* Pt = 20 W ~ 43 dBm
Pr( dBm) = Pt (dBm) - L(dB) = 43 - 101.46
Pr = - 58.46 (dBm )
Mô hình hai đường
Two ray or PLANE-EARTH Model
f = RFC(i)
MS
d
LOS
Ground
hm
hb
Ví dụ 2.
Hãy thực hiện lại ví dụ 1 khi độ cao anten BTS là
30 mét và độ cao trung bình của anten MS là 1,5 mét.
a. Suy hao đường truyền khi MS cách BTS 3 km ?
b. Giả sử công suất BTS đang phát sóng là 20 W, hãy cho biết MS có liên lạc được với BTS đó không khi độ nhạy máy thu là -102 dBm ?
Ví dụ 1:
* hb = 30 m, hm = 1.5 m, d = 3000 m
* Pt = 20 W ~ 43 dBm
Pr( dBm) = Pt (dBm) - L(dB) = 43 - 106.02
Pr = - 63.02 (dBm )
Mô hình thống kê Hata
f = RFC(i)
MS
d
hm
hb
Vị trí phú sóng của BTS:
Ngoại ô
Nội thành
Nông thôn
HATA MODEL
Tần số làm việc f: 150 – 1500 MHz

Độ cao anten của BS hb: 30 – 200 m

Độ cao anten của MS hm: 1 – 10 m

Khỏang cách giữa MS và BS d: 1 – 20 km

- urban => nội thành ( Lurb )
suburban => ngoại ô ( Lsub )
- open country => nông thôn ( Lopen )
Mô hình tính toán suy hao đường truyền HATA
Tại vùng đô thị - URBAN
Lp (urb) = 69.55 + 26.16 * log( f ) - 13.82*log( hb ) -a( hm ) +
( 44.9 - 6.55 * log( hb )) * log( d ) (dB)
a(hre):Hệ số hiệu chỉnh anten MS,phụ thuộc diện tích vùng phủ sóng.
- Diện tích thành phố trung bình;
a(hm) = (1.1*log f - 0.7)hm -(1.56*log f - 0.8) dB
- Diện tích thành phố lớn:
a(hm) = 8.29(log1.54hm)2 - 1.1 dB f <= 300 MHz
a(hm) = 3.2(log11.75hm)2 - 4.97 dB f>= 300 MHz
Tại vùng ngoại ô - SUBURBAN:
Lp(sub) = Lp(urb) – 2 *( log(f/28))2 - 5.4 (dB)
Tại vùng nông thôn - RURAL (OPEN COUNTRY):
Lp(open) = Lp(urb) – 4.78 *(log(f))2 + 18.33*log(f) - 40.94 (dB)
Ví dụ 3
Giả sử tại một cell ở vùng ngoại ô, trạm gốc BS có độ cao 50 mét. Một trạm di động MS có độ cao anten trung bình là 1,5 mét, đang liên lạc với trạm gốc tại tần số 936 MHz. Hãy xác định:
a. Suy hao đường truyền khi MS cách BTS 3 km ?
b. Giả sử công suất BTS đang phát sóng là 20 W, hãy cho biết MS có liên lạc được với BTS đó không khi độ nhạy máy thu là -102 dBm ?
Ví dụ 3
* f = 936 MHz, hb = 30 m, hm = 1.5 m d = 3000 m
a(hm) = (1.1*log f - 0.7)hm -(1.56*log f - 0.8)
= (1.1*log(936) – 0.7)*1.5 – 1.56*log(936) – 0.8 )
= (1.1 * 2.97 – 0.7) * 1.5 – ( 1.56 * 2.97 – 0.8)
= 2.567 - 3.8332 = 1.2662 (dB)
Lp (urb) = 69.55 + 26.16 * log( 936 ) - 13.82*log(30 ) -a( hm ) +
( 44.9 - 6.55 * log( 30 )) * log( 3 )
≈ 69.55 + 26.16*2.97 - 13.82*1.477 - 1.2662 +
(44.9 - 6.55*1.477)*0.477 ≈ 108.76 ( dB)
Ví dụ 3
Tại vùng ngoại ô - SUBURBAN:
Lp(sub) = Lp(urb) - 2 *( log(f/28))2 - 5.4
≈ 108.76 - 2 * ( log ( 936 / 28 ) )2 – 5.4
≈ 108.76 - 2 * ( log ( 936 / 28 ) )2 – 5.4
≈ 108.76 - 2 * 2.3229 – 5.4
Lp(sub) ≈ 98.71 ( dB)
* Pt = 20 W ~ 43 dBm
Pr( dBm) = Pt (dBm) - L(dB) = 43 - 98.71
Pr = - 55.71 (dBm )
Mô hình COST 231
Tần số làm việc f : 1500 - 2000 MHz

Độ cao anten trạm gốc hb: 30 - 200 m

Độ cao anten MS trung bình hm: 1 - 10 m

Khoảng cách giữa MS và BS d: 1 - 20 km
Lp(urb) = 46.3 + 33.9*log(f) – 13.82*log(hb) – a(hm)

+ [44.9 – 6.55*log(hb)]*log(d) + Cm (dB)

với:
a(hm) = [1.1*log(f) – 0.7]*hm – [1.56*log(f) – 0.8]

Tại thành phố cỡ trung bình hoặc trung tâm ngoại ô
Cm = 0 dB

Tại trung tâm đô thị
Cm = 3 dB
COST 231 - HATA MODEL
Khoảng cách chân trời - Radio Horizon - Dhrz
hb
Dhrz = 4.12 (hb0.5 + hm0.5) (km)
MS
hm
BTS
hb = height a.s.l of BTS’s antenna in metres
hm = height a.s.l of MS’s antenna in metres
a.s.l = above sea level

Suy hao do nhiễu xạ - Diffraction loss
Mô hình nhiễu xạ đơn
(single) knife edge diffraction
Suy hao do nhiễu xạ - Diffraction loss
Trong đó:
dT và dR là khoảng cách từ điểm phát, thu đến điểm nhiễu xạ
Suy hao do nhiễu xạ được tổng hợp với suy hao không gian tự do theo đơn vị dB được tính xấp xỉ như sau:
Suy hao đường truyền
Suy hao đường truyền
Mô hìnhd suy hao đường truyền phụ thuộc vào vị trí của anten thu. Ví dụ, 5 vị trí thu trong hình trên được thể hiện như sau:
Vị trí 1, suy hao không gian tự do cho phép ước đoán chính xác suy hao đường truyền.
Ví trí 2, tồn tại đường truyền tín hiệu chủ yếu LOS, tuy nhiên tín hiệu phản xạ từ mặt đất cũng ảnh hưởng đáng kể đến suy hao đường truyền. trong trường hợp này, mô hình tính toán suy hao 2 đường ( Plane Earth Model ) được sử dụng là thích hợp.
Vị trí 3, suy hao hai đường cần được hiệu chỉnh do ảnh hưởng của nhiễu xạ gây nên bởi đám cây nằm giữa đường truyền LOS.
Ví trí 4, mô hình nhiễu xạ đơn được sử dụng cho phép ước đoán chính xác suy hao đường truyền.
Ví trí 5, việc ước đoán suy hao đường truyền khá khó khăn và khó tin cậy do liên quan đến nhiễu xạ nhiều chặng.
Môn học:
Thông tin di động
( Mobile Communications )
Hà Nội, 8 - 2006
Giảng viên: Đỗ Trọng Tuấn
Bộ môn: Kỹ thuật Thông tin
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khoa Điện tử - Viễn thông